DE69831143T2 - TUNING CRANK WITH SPLIT ELEPHANT - Google Patents

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    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis

Description

FACHGEBIET DER ERFINDUNGAREA OF EXPERTISE THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf einen mikromechanischen Stimmgabelkreisel sowie auf ein Verfahren für das Abtasten von Schwingbewegungen von mindestens ersten und zweiten Prüfmassen auf einer Vorrichtung, gemäss den unabhängigen Ansprüchen.The The invention relates to a micromechanical tuning fork gyroscope as well as a method for the scanning of oscillatory motions of at least first and second proof masses on a device, according to the independent one Claims.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION

Mikromechanische Stimmgabelkreisel, wie der in 1 illustrierte, sind bekannt, zum Beispiel aus der US-5,604,309. Der Stimmgabelkreisel weist Prüfmassen aus Silizium auf, welche an flexiblen Haltevorrichtungen über einem Substrat aus Glas aufgehängt sind, sowie kammförmige Elektroden, welche verwendet werden, um die Prüfmassen in Schwingung zu versetzen. Abtastelektroden aus Metall sind auf dem Glassubstrat unter den Prüfmassen angeordnet, um die Coriolisbewegung durch die Anzeige von kapazitiven Kapazitätsänderungen ausserhalb der Ebene zu erfassen. Weil der Stimmgabelkreisel auf diese Art und Weise funktioniert, ist es wünschenswert, dass die Amplitude der Schwingung bei einer vorbestimmten Konstanten gehalten wird, um dadurch einen genaueren Anzeigegrad des Ausgangssignals zu erreichen.Micromechanical tuning fork top, like the in 1 Illustrated are known, for example from US-5,604,309. The tuning fork gyroscope has proof masses of silicon suspended on flexible holders over a glass substrate and comb-shaped electrodes used to vibrate the proof masses. Metal scanning electrodes are placed on the glass substrate under the proof masses to detect the Coriolis motion by indicating capacitive capacitance changes outside the plane. Because the tuning fork gyro operates in this manner, it is desirable that the amplitude of the vibration be maintained at a predetermined constant, thereby achieving a more accurate indication of the output signal.

Die Amplitude des Schwingungsmotors von Stimmgabelkreiseln wird typischerweise durch einen konventionellen Regelkreis geregelt, welcher mit einem einzelnen kapazitiven Abnehmer in der Ebene verbunden ist („Zentralelektrode"). Bei dieser Technik wird die Motorstellung in eine proportionale Spannung umgewandelt, indem die Ladungsänderung an der Zentralelektrode, an welcher eine Gleichspannungs-Vorspannung angelegt ist, gemessen wird. Das resultierende Motorstellungssignal wird verstärkt und durch einen Ganzwellengleichrichter abgetastet. Der Ausgang des Gleichrichters wird anschliessend gefiltert, und die gefilterte Spannung wird mit einer Referenzspannung verglichen; die Differenz bildet eine Fehlerspannung. Diese Fehlerspannung wird dann verwendet, um die Antriebsamplitude des Motors mittels eines Regelkreises so zu regeln, dass diese auf eine vorbestimmte Konstante eingestellt wird. Dieses besondere Verfahren weist indessen einen potenziellen Nachteil auf.The Amplitude of the vibratory motor of tuning fork tops typically becomes regulated by a conventional control circuit, which with a single capacitive pickup is connected in the plane ("central electrode") .With this technique is the motor position is converted into a proportional voltage by the charge change at the central electrode, at which a DC bias voltage is created, is measured. The resulting motor position signal is reinforced and sampled by a full wave rectifier. The output of the Rectifier is then filtered, and the filtered Voltage is compared with a reference voltage; the difference forms an error voltage. This error voltage is then used about the drive amplitude of the motor by means of a control loop so to control that it is set to a predetermined constant. However, this particular method has a potential disadvantage on.

Das konventionelle Regelkreisverfahren weist möglicherweise eine Instabilität bei der Zentralelektrode auf. Die Empfindlichkeit der Zentralelektrode, an welche eine Gleichspannungs-Vorspannung angelegt ist, variiert langsam mit der Zeit wegen einer Anhäufung von Fehlladungen auf dem Glassubstrat unter der Zentralelektrode. Wenn sich diese Ladung auf dem Glas anhäuft, ändert sich die Empfindlichkeit der Zentralelektrode. Als Reaktion darauf veranlasst der Regelkreis zur Kompensation eine geänderte Antriebskraft. Das Resultat ist eine vorübergehende Motoramplitudenschwankung, wobei sich die Amplitude im Verlauf der Zeit ändert, wenn die Ladung des Substrates sich anhäuft. Dies hat wegen der Beziehung zwischen Amplitude und Corioliskraft im System eine geringere Genauigkeit zur Folge als andernfalls möglich wäre.The Conventional closed-loop control may indicate instability in the Central electrode on. The sensitivity of the central electrode, to which a DC bias voltage is applied varies slowly over time due to an accumulation of misloads the glass substrate under the central electrode. When this charge is on the glass accumulates, changes the sensitivity of the central electrode. In response to that causes the Control circuit for compensation a changed driving force. The result is a transient motor amplitude fluctuation, wherein the amplitude changes over time as the charge of the substrate changes accumulates. This has because of the relationship between amplitude and Coriolis force In the system, a lower accuracy would result than otherwise possible.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNGSHORT PRESENTATION THE INVENTION

Gemäss der vorliegenden Erfindung schliesst ein Stimmgabelkreisel eine Vielzahl von zentralen und äusseren Elektroden ein. Die gesamte Prüfmassenstruktur weist zwei unabhängige Massen auf, eine rechte und eine linke, welche durch eine Reihe von Trägern und Biegeelementen miteinander verbunden sind. Der Mechanismus zur Messung der Corioliskraft ist die Ladung in der Prüfmassenstruktur. Die Vielzahl von zentralen und äusseren Motoren ermöglicht die Erzeugung und die Abtastung der Bewegung der Prüfmasse, während die Ladungseinführung in die gesamte Prüfmassenstruktur als Resultat der Ungleichheiten der Amplituden und/oder der Phase der relativen Prüfmassen minimiert wird. Durch die Bildung einer Elektrodenkonfiguration, welche jeder der Massen mittlere Spaltelektroden und äussere Motorelektroden zuordnet, können durch das Missverhältnis von relativer Amplitude oder Phase entstehende Fehler ausgeschlossen werden.According to the present Invention includes a tuning fork gyroscope a variety of central and externals Electrodes. The entire test mass structure has two independent ones Masses on, a right and a left, which through a row of carriers and bending elements are interconnected. The mechanism for Measurement of Coriolis force is the charge in the test mass structure. The variety of central and external Motors allows the generation and the scanning of the movement of the proof mass, while the charge introduction into the entire test mass structure as a result of the inequalities of the amplitudes and / or the phase the relative test masses is minimized. By forming an electrode configuration, which each of the masses middle gap electrodes and outer motor electrodes can assign by the mismatch excluded from relative amplitude or phase errors become.

Durch die Anlegung von Erregungen mit gleichen und entgegengesetzten Potenzialen an jeden Satz von unabhängigen zentralen und äusseren Motorelektroden annulliert jede Masse die durch ihre eigene Bewegung erzeugte Ladung, wodurch die gleichphasigen Vorspannungsfehler verringert und die Einschränkungen des Dynamikbereiches minimiert werden. Weil jede Prüfmasse mit unabhängigen zentralen Spaltelektroden und äusseren Elektroden eine Wechselwirkung eingeht, wobei diese Elektroden gleiche und entgegengesetzte Potenziale aufweisen, wird die Nettoladung minimiert, welche in der gesamten Prüfmassenstruktur durch Missverhältnisfehler der Amplituden erzeugt wird.By the creation of excitations with equal and opposite potentials to every sentence of independent central and external Motor electrodes cancel each mass by their own motion generated charge, which reduces the in-phase bias error and the restrictions of the dynamic range can be minimized. Because each proof mass with independent central gap electrodes and outer Electrodes undergo an interaction, these electrodes being the same and opposite potentials, becomes the net charge minimized, which in the entire Prüfmassenstruktur by mismatch error the amplitudes is generated.

Die Teilung sowohl der zentralen wie auch der äusseren Motorelektroden macht den Stimmgabelkreisel unempfindlicher gegenüber Fehlern, welche durch Ladungseinführung in die Prüfmasse durch ein Missverhältnis der Amplitude zwischen den rechten und den linken Prüfmassen verursacht werden. Die Ladungseinführung ist die Folge der von jeder Prüfmasse mit den Erregungen eingegangenen Wechselwirkung, welche Erregungen verwendet werden, um sowohl die elektrostatische Anregung als auch Abtastung der Prüfmassenbewegung zu erzeugen. Eine Nettoladungseinführung findet statt, wenn die von der rechten Prüfmasse und die von der linken Prüfmasse erzeugte Ladung nicht gleich und entgegengesetzt sind, was ein vorherrschender Zustand ist, wenn die Schwingungsbewegungen der rechten und der linken Prüfmassen bezüglich der Amplitude und/oder der Phase in einem Missverhältnis zueinander stehen. Durch die gleichmässige Aufteilung der zentralen und der äusseren Motorelektroden und durch die Anbringung von Erregungen von gegensätzlicher Grösse annulliert jede Prüfmasse die durch ihre eigene Bewegung erzeugte Ladung und verringert dadurch die gleichphasigen Vorspannungsfehler und die Einschränkungen des Dynamikbereiches.The division of both the central and external motor electrodes makes the tuning fork gyro less sensitive to errors caused by charge introduction into the proof mass by a mismatch in amplitude between the right and left proof masses. The charge introduction is the consequence of the interaction received by each proof mass with the excitations, which excitations are used to generate both the electrostatic excitation and the sample mass movement scan. A net charge introduction takes place when that of the right proof mass and that of the left Proof mass generated charge are not equal and opposite, which is a prevailing condition when the oscillations of the right and left proof masses in amplitude and / or phase are in disproportion to each other. By evenly distributing the central and outer motor electrodes and applying opposite magnitude excitations, each proof mass nullifies the charge generated by its own motion, thereby reducing in-phase bias errors and dynamic range constraints.

Die Zentralelektroden verringern die Aufladeeffekte beim Substrat und verringern auch unerwünschte motorische Hebekräfte, indem eine gleiche Anzahl von Zentralelektroden mit entgegengesetzter Vorspannung zur Verfügung steht. Die Zentralelektroden sind so angeordnet, dass eine elektrische Symmetrie über dem Stimmgabelkreisel besteht. Wegen dieser Symmetrie sind im Substrat durch die Zentralelektroden erzeugte Spannungen gleich und entgegengesetzt, so dass die Auswirkung der Substratladung auf die gleichphasige Vorspannung verringert wird. Des Weiteren sind die direkt in die Prüfmassen eingeführten Ströme gleich und entgegengesetzt, und sie haben daher die Tendenz, sich gegenseitig aufzuheben. Als Folge davon sind die motorischen Hebekräfte gleich, und die Prüfmassen bewegen sich in einer reinen Translationsbewegung, wodurch die gleichphasige Vorspannung verringert wird. Der in die Prüfmasse eingeführte Nettostrom ist das Ausgangssignal des Stimmgabelkreisels. Dieser Strom fliesst durch die Anker in einen Transimpedanzverstärker, welcher die Ladung (das Integral des Stromes) in eine Ausgangsspannung umwandelt. Der Transimpedanzverstärker hält die Prüfmasse auf dem virtuellen Erdpotenzial. Die Aufrechterhaltung einer elektrischen Symmetrie verringert Fehlsignale aus der Bewegung in der Ebene, aus der Gleichtakt-Translationsbewegung senkrecht zum Substrat sowie von Ladungsschwankungen. Mit entgegengesetzten Vorspannungen auf den Abtastelektroden ist das gewünschte Ausgangssignal des Stimmgabelkreisels die differenzielle Vertikalverschiebung.The Central electrodes reduce the charging effects on the substrate and also reduce unwanted motor lifting forces, by having an equal number of central electrodes with opposite bias to disposal stands. The central electrodes are arranged so that an electrical symmetry over the Tuning fork top consists. Because of this symmetry are in the substrate voltages generated by the central electrodes equal and opposite, so that the effect of substrate loading on the in-phase Preload is reduced. Furthermore, the directly in the proof masses introduced streams equal and opposite, and they therefore have the tendency to become cancel each other out. As a result, the motor lifting forces are the same and the test masses move in a pure translational motion, causing the in-phase Preload is reduced. The net current introduced into the proof mass is the output of the tuning fork gyro. This stream is flowing through the armatures in a transimpedance amplifier, which the charge (the Integral of the current) into an output voltage. The transimpedance amplifier holds the proof mass on the virtual earth potential. Maintaining an electrical Symmetry reduces false signals from in-plane motion, from the common-mode translational motion perpendicular to the substrate as well of charge fluctuations. With opposite biases on the scanning electrodes is the desired one Output of the tuning fork gyro the differential vertical displacement.

KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGSUMMARY THE VARIOUS VIEWS OF THE DRAWING

Die Erfindung ist in Anbetracht der folgenden detaillierten Beschreibung der Zeichnung besser zu verstehen, bei welcher:The The invention is in light of the following detailed description better understand the drawing, in which:

1 ein Diagramm eines Stimmgabelkreisels gemäss dem Stand der Technik ist; 1 Figure 4 is a diagram of a prior art tuning fork gyroscope;

2 ein Diagramm eines Stimmgabelkreisels mit einer Vielzahl von Zentralelektroden ist; 2 is a diagram of a tuning fork gyroscope with a plurality of central electrodes;

3 eine alternative Konfiguration des Stimmgabelkreisels von 2 ist; 3 an alternative configuration of the tuning fork gyro from 2 is;

4 und 5 Schaltkreise für das Anlegen einer Vorspannung an den Motor illustrieren; und 4 and 5 Illustrate circuits for applying a bias voltage to the motor; and

6 ein Diagramm des Stimmgabelkreisels mit einer Vielzahl von äusseren Motorelektroden ist. 6 is a diagram of the tuning fork gyroscope with a plurality of outer motor electrodes.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Ein mikromechanischer Stimmgabelkreisel ist in 2 illustriert. Der Stimmgabelkreisel weist erste und zweite Prüfmassen 3a, 3b, erste und zweite Motorelektroden 5a, 5b, erste und zweite Abtastelektroden 7a, 7b, erste und zweite Zentralelektroden 9a, 9b sowie ein Substrat 11 auf. Die Zentralelektroden, Abtastelektroden und Motorelektroden sind auf dem Substrat verteilt angeordnet. Die Prüfmassen sind über den Abtastelektroden angeordnet und an flexiblen Haltevorrichtungen 13a, 13b aufgehängt. Die flexiblen Haltevorrichtungen sind bei Ankerpunkten 15 am Substrat festgemacht und sie ermöglichen eine Bewegung der Prüfmassen relativ zu den Abtastelektroden. Jede Prüfmasse weist kammförmige Elemente auf, welche sich von der ersten und zweiten Seite der Prüfmasse aus erstrecken. Die Zentralelektroden und Motorelektroden weisen ebenfalls kammförmige Elemente auf. Die kammförmigen Elemente der Motorelektrode 5a greifen in die kammförmigen Elemente der Prüfmasse 3a ein, die kammförmigen Elemente der Zentralelektrode 9b greifen in die kammförmigen Elemente der Prüfmasse 3b ein und die kammförmigen Elemente der Motorelektrode 5b greifen in die kammförmigen Elemente der Prüfmasse 3b ein.A micromechanical tuning fork top is in 2 illustrated. The tuning fork gyroscope has first and second proof masses 3a . 3b , first and second motor electrodes 5a . 5b , first and second scanning electrodes 7a . 7b , first and second central electrodes 9a . 9b as well as a substrate 11 on. The central electrodes, scanning electrodes and motor electrodes are arranged distributed on the substrate. The proof masses are arranged above the scanning electrodes and on flexible holding devices 13a . 13b suspended. The flexible fixtures are at anchor points 15 moored to the substrate and allow movement of the test masses relative to the scanning electrodes. Each proof mass has comb-shaped elements extending from the first and second sides of the proof mass. The central electrodes and motor electrodes also have comb-shaped elements. The comb-shaped elements of the motor electrode 5a grip the comb-shaped elements of the proof mass 3a a, the comb-shaped elements of the central electrode 9b grip the comb-shaped elements of the proof mass 3b one and the comb-shaped elements of the motor electrode 5b grip the comb-shaped elements of the proof mass 3b one.

Die Funktion des Stimmgabelkreisels ist elektromechanisch. Zeitlich variierende Antriebssignale 17a, 17b werden jeweils an die Motorelektroden 5a, 5b angelegt. Die Antriebssignale erzeugen eine elektrostatische Kopplung zwischen den ineinander greifenden kammförmigen Elementen 19a, 19b, 21a, 21b, welche jeweils an den Motorelektroden 5a, 5b und an den Prüfmassen 3a, 3b angebracht sind, und sie üben entlang der Antriebsachse des Motors 23 eine oszillierende Kraft auf die Prüfmassen aus. Die oszillierende Kraft versetzt die Prüfmassen in einer Schwingungsebene 25 in eine Schwingung. Als Reaktion auf einen Trägheitseingang, wie etwa einen Rotationsgrad, werden die Prüfmassen aus der Schwingungsebene ausgelenkt. Abtastvorspannungen +VS, -VS werden jeweils an die Abtastelektroden 7a, 7b angelegt, um entsprechend ein Potenzial zwischen den Abtastelektroden 7a, 7b und den Prüfmassen 3a, 3b zu erzeugen, so dass es möglich ist, Änderungen der kapazitiven Reaktanz zwischen den Elektroden und den unmittelbar daneben liegenden Prüfmassen als Resultat der Auslenkung aus der Schwingungsebene heraus zu messen.The function of the tuning fork gyro is electromechanical. Time varying drive signals 17a . 17b are each to the motor electrodes 5a . 5b created. The drive signals create an electrostatic coupling between the interdigitated comb-shaped elements 19a . 19b . 21a . 21b , which in each case at the motor electrodes 5a . 5b and at the test masses 3a . 3b attached, and they practice along the drive axle of the engine 23 an oscillating force on the test masses. The oscillating force puts the test masses in a vibration plane 25 into a vibration. In response to an inertial input, such as a degree of rotation, the proof masses are deflected out of the plane of vibration. Sample bias voltages + V s , -V s are applied to the scanning electrodes, respectively 7a . 7b designed to correspond to a potential between the scanning electrodes 7a . 7b and the test masses 3a . 3b so that it is possible to change the capacitive reactance between the electrodes and those immediately adjacent to them To measure proof masses as a result of the deflection out of the vibration plane.

Die Messung eines Trägheitseinganges mit dem Stimmgabelkreisel beruht auf dem Prinzip der Corioliskraft.The Measurement of an inertia input with the tuning fork gyro is based on the principle of Coriolis force.

FC = 2mΩ → × V →,worin

m
die Masse ist,
V →
die Geschwindigkeit der Prüfmasse ist und
Ω →
die Eingangsrate ist.
F C = 2mΩ → × V →, wherein
m
the mass is,
V →
the speed of the proof mass is and
Ω →
the input rate is.

Die Masse und die Geschwindigkeit sind für den Stimmgabelkreisel bekannt. Aus diesem Grunde ist es möglich, die Trägheits-Eingangsbewegung zu messen, und zwar auf der Grundlage der Variation der Ladung zwischen den Prüfmassen und den Abtastelektroden. Um jedoch präzise Resultate zu erhalten, ist es wichtig, dass die Prüfmassengeschwindigkeit konstant bleibt.The Mass and speed are known for the tuning fork gyro. For this reason, it is possible the inertial input motion to measure, based on the variation of the charge between the test masses and the scanning electrodes. However, to get accurate results, It is important that the proof mass speed remains constant.

Ein Oszillatorkreis 27 wird dazu verwendet, die Prüfmassengeschwindigkeit von mindestens einer der Zentralelektroden 9a, 9b zu messen und um die Antriebssignale 17a, 17b zwecks Kompensation von Änderungen der Geschwindigkeit zu variieren. Vorspannungspotenziale +VB, -VB werden entsprechend an die Zentralelektroden 9a, 9b angelegt, um dadurch die Messung der Geschwindigkeit der Prüfmasse durch Rückkopplungssignale 29a, 29b zu erleichtern. Die Vorspannungssignale +VB, -VB sind mit den Zentralelektroden 9a, 9b über Widerstände 31a, 31b gekoppelt. Ladungsvariationen, welche durch die Verschiebung der Prüfmassen in der Schwingungsebene verursacht werden, werden darauf erfasst und als Rückkopplungssignal verwendet. Die Vorspannungssignale +VB, -VB sind entweder eine Gleichspannung, eine Wechselspannung oder eine Kombination von Gleichspannung und Wechselspannung. Des Weiteren sind die Vorspannungssignale in ihrer Grösse gleich, in ihrer Polarität jedoch entgegengesetzt. Schaltkreise für das Anlegen der Vorspannung an die Motoren sind auf den 4 und 5 dargestellt. In der 4 ist die Vorspannung möglicherweise nur eine Gleichspannung, aber in der 5 ist eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung und eine Wechselspannung geeignet.An oscillator circuit 27 is used to test mass velocity of at least one of the central electrodes 9a . 9b to measure and to the drive signals 17a . 17b to compensate for changes in speed. Bias potentials + V B , -V B are applied to the central electrodes accordingly 9a . 9b thereby measuring the speed of the proof mass through feedback signals 29a . 29b to facilitate. The bias signals + V B , -V B are with the central electrodes 9a . 9b about resistances 31a . 31b coupled. Charge variations caused by the displacement of the proof masses in the vibration plane are detected thereon and used as the feedback signal. The bias signals + V B , -V B are either a DC voltage, an AC voltage or a combination of DC voltage and AC voltage. Furthermore, the bias signals are equal in magnitude but opposite in polarity. Circuits for applying the bias voltage to the motors are on the 4 and 5 shown. In the 4 the bias voltage may be just a dc voltage, but in the 5 is a DC voltage or an AC voltage or a DC voltage and an AC voltage suitable.

Die sich ändernde Nähe zwischen der Prüfmasse und der daneben liegenden Zentralelektrode, welche zu den Ladungsvariationen führt, wird durch die elektrostatische Kopplung der ineinander greifenden kammförmigen Elemente angezeigt. Wenn die Prüfmasse schwingt, ändert sich die Nähe im Verlauf der Zeit. Als Folge davon ändert sich ebenfalls das Potential zwischen den ineinander greifenden kammförmigen Elektroden im Verlauf der Zeit. Die Änderungsgeschwindigkeiten des Potenzials der Rückkopplungssignale von den Zentralelektroden stellen daher eine Anzeige der Geschwindigkeit der Prüfmasse dar. Um eine konstante Geschwindigkeit der Prüfmassen aufrecht zu erhalten, werden die Rückkopplungssignale mit Referenzsignalen verglichen, und das Resultat dieses Vergleichs wird dazu verwendet, die Antriebssignale einzustellen. Die Zentralelektroden mit entgegengesetzter Vorspannung verringern die Wirkung der unerwünschten Aufladung des Substrats, indem eine elektrische Symmetrie zwischen der linken und der rechten Seite des Stimmgabelkreisels erstellt wird. Eine solche Symmetrie besteht dann, wenn für jede an den Stimmgabelkreisel angelegte Vorspannung eine andere Vorspannung von gleicher Grösse und von entgegen gesetzter Polarität vorhanden ist und wenn der Stimmgabelkreisel in zwei Bereiche mit gleichen und entgegengesetzten elektrischen Eigenschaften aufteilbar ist. Die Symmetrie verringert die Wirkung von vorübergehenden Ladungen und die Empfindlichkeit gegenüber einer Vertikalverschiebung, weil an die Zentralelektroden angelegte Signale mit entgegengesetzter Vorspannung die Tendenz haben, sich gegenseitig aufzuheben. Beispielsweise sind im Substrat des Stimmgabelkreisels induzierte Vorspannungspotentiale gleich und entgegengesetzt, sodass die Aufladungswirkung auf gleichphasigen Vorspannungen im Substrat verringert wird. Des Weiteren sind auf die Prüfmassen und auf die ineinander greifenden kammförmigen Elektroden wirkenden motorischen Anhebungskräfte gleich, und aus diesem Grunde bewegen sich die Prüfmassen in einer reinen Translationsbewegung, wodurch die phasengleiche Vorspannung verringert wird. Ein weiterer Vorteil der Symmetrie ist der, dass eine reine Translationsbewegung senkrecht zur Ebene des Stimmgabelkreisels keinen Ausgang auf der Abtastachse erzeugt. Daher widerspiegelt das Ausgangssignal der Abtastelektrode nur eine effektive Trägheitsbewegung. Der Nettostrom, welcher in die Prüfmasse eingeführt wird, ist das Ausgangssignal des Stimmgabelkreisels. Dieser Strom fliesst durch die Anker in einen Transimpedanz-Verstärker, welcher die Ladung (das Integral des Stromes) in eine Ausgangsspannung umwandelt. Der Transimpedanz-Verstärker hält die Prüfmasse auf dem virtuellen Erdpotenzial. Die Aufrechterhaltung einer elektrischen Symmetrie verringert die Fehlsignale aus Bewegungen in der Ebene, aus Gleichtakt-Translationsbewegungen senkrecht zum Substrat sowie aus vorübergehenden Ladungen sehr stark. Mit entgegengesetzten Vorspannungen an den Abtastelektroden ist der erwünschte Ausgang des Stimmgabelkreisels die differenzielle Vertikalverschiebung. Aus diesen Gründen sind die Zentralelektroden symmetrisch auf dem Substrat verteilt. 3 illustriert eine alternative Konfiguration der Zentralelektroden. In der alternativen Ausführungsform weisen die Zentralelektroden 9a, 9b jeweils erste und zweite Sätze von kammförmigen Elektroden 33a, 33b, 33c, 33d auf, welche entsprechend in die kammförmigen Elektroden 37, 39 der Prüfmassen 3a, 3b eingreifen. Dies bedeutet, dass jede Zentralelektrode mit beiden Prüfmassen zusammenwirkt. Wie im Falle der vorher beschriebenen Ausführungsform haben die Zentralelektroden entsprechend Vorspannungspotenziale +VB, -VB angelegt, damit die Messung der Geschwindigkeit der Prüfmassen durch die Rückkopplungssignale 41, 43 erleichtert wird. Diese Vorspannungspotenziale sind entweder eine Gleichspannung, eine Wechselspannung oder eine Kombination von Gleichspannung und Wechselspannung. Da jede Zentralelektrode eine Messung der Geschwindigkeit von beiden Prüfmassen liefert, ist es möglich, dass der Oszillatorkreis ein einziges Rückkopplungssignal von einem der beiden Zentralelektroden verwendet, um eine konstante Geschwindigkeit der Prüfmassen aufrecht zu erhalten. Alternativ ist es möglich, eine differenzielle Ablesung 45 mit den Rückkopplungssignalen von jeder Zentralelektrode zu verwenden, um eine Angabe der Geschwindigkeit der Prüfmasse zu erhalten. Weil jede der Zentralelektroden mit beiden Prüfmassen zusammenwirkt, sind durch die Zentralelektroden in die Prüfmassen eingeführte Ströme gleich und entgegengesetzt, und sie heben sich deshalb gegenseitig auf. Eine andere alternative Ausführungsform ist in 6 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Zentralelektroden 9a, 9b so aufgeteilt, wie dies im Zusammenhang mir 3 weiter oben beschrieben worden ist. Darüber hinaus weist der Stimmgabelkreisel aufgeteilte linke 38a, 38b und rechte 38c, 38d Motorelektroden auf. Um eine Symmetrie zu erreichen, wird an die Ektroden 38a, 38c eine + Wechselspannung und an die Elektroden 38b, 38d eine – Wechselspannung angelegt.The varying proximity between the proof mass and the adjacent center electrode, which results in the charge variations, is indicated by the electrostatic coupling of the interdigitated comb-shaped elements. As the proof mass swings, proximity changes over time. As a result, the potential between the intermeshing comb-shaped electrodes also changes over time. The rates of change of the potential of the feedback signals from the central electrodes therefore provide an indication of the speed of the proof mass. In order to maintain a constant velocity of the proof masses, the feedback signals are compared with reference signals and the result of this comparison is used to set the drive signals. The central electrodes of opposite bias reduce the effect of unwanted charging of the substrate by establishing electrical symmetry between the left and right sides of the tuning fork gyroscope. Such symmetry exists when there is a different preload of equal magnitude and opposite polarity for each bias applied to the tuning fork gyro, and if the tuning fork gyroscope is divisible into two regions of equal and opposite electrical properties. Symmetry reduces the effect of transient charges and sensitivity to vertical displacement because opposite bias signals applied to the central electrodes tend to cancel each other out. For example, bias potentials induced in the substrate of the tuning fork gyroscope are equal and opposite so that the charging effect on in-phase biases in the substrate is reduced. Furthermore, motor lift forces acting on the proof masses and intermeshing comb-shaped electrodes are the same, and for this reason, the proof masses move in a pure translational motion, thereby reducing the in-phase bias. Another advantage of symmetry is that a pure translational motion perpendicular to the plane of the tuning fork gyroscope does not produce an output on the scan axis. Therefore, the output of the sensing electrode reflects only an effective inertial motion. The net current that is introduced into the proof mass is the output of the tuning fork gyro. This current flows through the armatures into a transimpedance amplifier, which converts the charge (the integral of the current) into an output voltage. The transimpedance amplifier holds the proof ground at virtual ground potential. Maintaining electrical symmetry greatly reduces the in-plane misalignment, common-mode translational motion perpendicular to the substrate, and transient charges. With opposite biases on the scan electrodes, the desired output of the tuning fork gyroscope is the differential vertical shift. For these reasons, the central electrodes are distributed symmetrically on the substrate. 3 illustrates an alternative configuration of the center lektroden. In the alternative embodiment, the central electrodes 9a . 9b respective first and second sets of comb-shaped electrodes 33a . 33b . 33c . 33d which correspondingly into the comb-shaped electrodes 37 . 39 the test masses 3a . 3b intervention. This means that each central electrode interacts with both proof masses. As in the previously described embodiment, the central electrodes have applied bias potentials + V B , -V B , respectively, to allow measurement of the speed of the proof masses by the feedback signals 41 . 43 is relieved. These bias potentials are either a DC voltage, an AC voltage or a combination of DC voltage and AC voltage. Since each central electrode provides a measurement of the velocity of both proof masses, it is possible that the oscillator circuit uses a single feedback signal from one of the two central electrodes to maintain a constant speed of the proof masses. Alternatively, it is possible to do a differential reading 45 with the feedback signals from each central electrode to give an indication of the speed of the proof mass. Because each of the central electrodes interacts with both proof masses, currents introduced into the proof masses by the central electrodes are equal and opposite, and therefore cancel each other out. Another alternative embodiment is in 6 shown. In this embodiment, the central electrodes 9a . 9b so split up, as related to me 3 has been described above. In addition, the tuning fork gyroscope has split left 38a . 38b and rights 38c . 38d Motor electrodes on. To achieve a symmetry, is to the electrodes 38a . 38c a + AC voltage and to the electrodes 38b . 38d one - AC voltage applied.

In Anbetracht der oben stehenden Beschreibung wird es nun ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren für die Abtastung einer Schwingungsbewegung einer oszillierenden Masse definiert. Die Abtastung einer Schwingungsbewegung beinhaltet das Zur-Verfügung-Stellen einer geraden Anzahl von Abtastelementen für Schwingungsbewegungen, das Anbringen einer Vorspannung an erste und zweite Gruppen von Abtastelementen für Schwingungsbewegungen mit ersten und zweiten Vorspannungspotenzialen von entgegengesetzter Polarität, wobei die ersten und die zweiten Gruppen von Abtastelementen für Schwingungsbewegungen jeweils dieselbe Anzahl von Elementen aufweisen, und darauf die Abtastung der Schwingungsbewegung mit mindestens einem von den Abtastelementen für Schwingungsbewegungen. Indem die Abtastelemente für Schwingungsbewegungen in gleichen Gruppen angeordnet sind, an welche entsprechend jeweils eine Vorspannung mit entgegengesetzter Polarität angelegt wird, haben vagabundierende Ströme und die Einführung von Spannungen in andere Elemente der Vorrichtung die Tendenz, sich gegenseitig aufzuheben. Eine solche Einführung findet typischerweise durch ineinander greifende kammförmige Elektroden statt, und es ist möglich, die Anordnung der Abtastelemente für Schwingbewegungen so zu gestalten, dass jedes solche Element nur mit einer einzigen oszillierenden Masse gekoppelt ist, oder dann so, dass jedes Element mit mehr als einer oszillierenden Masse gekoppelt ist. Je nach Anordnung ändert sich die Symmetrie der Vorrichtung wie oben beschrieben. Aus diesem Grunde ist das Verfahren des Ausgleichens des eingeführten Stromes durch eine gerade Anzahl von Elektroden ebenfalls anwendbar auf rotierende Vibrationsstimmgabelkreisel.In In view of the above description, it will now be apparent be that the present invention a method for scanning defined a vibrational motion of an oscillating mass. The scanning of a vibratory motion involves providing it an even number of scanning elements for vibration movements, the Applying a bias voltage to first and second groups of sensing elements for vibration movements with first and second bias potentials of opposite polarity, wherein the first and second groups of vibratory scanning elements, respectively have the same number of elements and then the sample the vibrational movement with at least one of the sensing elements for vibration movements. By the sampling elements for Vibrational movements are arranged in the same groups, to which each applied in accordance with a bias voltage of opposite polarity will have vagabond streams and the introduction from tensions in other elements of the device the tendency to change cancel each other out. Such an introduction typically takes place by intermeshing comb-shaped electrodes instead, and it is possible to arrange the arrangement of scanning elements for oscillating movements that each such element oscillates only with a single Mass is coupled, or then so that each element with more than coupled to an oscillating mass. Depending on the arrangement changes the symmetry of the device as described above. For this reason is the process of balancing the introduced current by one straight Number of electrodes also applicable to rotating vibrating tuning fork gyros.

Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen oder Modifikationen der offenbarten Ausführungsform möglich sind.It It is understood that various changes or modifications the disclosed embodiment possible are.

Claims (13)

Ein mikromechanischer Stimmgabelkreisel zur Messung eines Trägheitseingangssignals, welcher aufweist: ein Substrat (11); erste und zweite Abtastelektroden (7a, 7b), welche auf dem Substrat (11) angeordnet sind; mindestens erste und zweite Prüfmassen (3a, 3b), welche jeweils über den ersten bzw. zweiten Abtastelektroden (7a, 7b) angeordnet sind, wobei diese ersten und die zweiten Prüfmassen (3a, 3b) kammförmige Elektroden (21a, 21b) aufweisen, die sich von den entsprechenden inneren und äusseren Seiten von diesen aus erstrecken; erste und zweite Motorelektroden (5a, 5b), welche auf dem Substrat (11) angeordnet sind, wobei diese ersten und zweiten Motorelektroden (5a, 5b) kammförmige Elektroden (19a, 19b) aufweisen und wobei diese kammförmigen Elektroden (19a, 19b) dieser ersten und zweiten Motorelektroden (5a, 5b) jeweils in die aussenseitigen kammförmigen Elektroden (21a, 21b) der ersten und zweiten Prüfmassen (3a, 3b) ineinander greifen; gekennzeichnet durch erste und zweite im entgegengesetzten Sinne vorgespannte Zentralelektroden (9a, 9b), die symmetrisch auf dem Substrat (11) angeordnet sind, wobei mindestens eine (9a) dieser Zentralelektroden (9a, 9b) mittels ineinander greifender kammförmiger Elektroden mit der ersten Prüfmasse (3a) gekoppelt ist und ein Rückführungssignal (29a) liefert, welches die Geschwindigkeit der ersten Prüfmasse (3a) anzeigt.A micromechanical tuning fork gyroscope for measuring an inertial input signal, comprising: a substrate ( 11 ); first and second scanning electrodes ( 7a . 7b ), which are on the substrate ( 11 ) are arranged; at least first and second test masses ( 3a . 3b ), which respectively above the first and second scanning electrodes ( 7a . 7b ) are arranged, these first and the second test masses ( 3a . 3b ) comb-shaped electrodes ( 21a . 21b ) extending from the respective inner and outer sides thereof; first and second motor electrodes ( 5a . 5b ), which are on the substrate ( 11 ), these first and second motor electrodes ( 5a . 5b ) comb-shaped electrodes ( 19a . 19b ) and wherein these comb-shaped electrodes ( 19a . 19b ) of these first and second motor electrodes ( 5a . 5b ) in each case in the outer side comb-shaped electrodes ( 21a . 21b ) of the first and second test masses ( 3a . 3b ) mesh; characterized by first and second oppositely biased central electrodes ( 9a . 9b ), which are symmetrical on the substrate ( 11 ), at least one ( 9a ) of these central electrodes ( 9a . 9b ) by means of intermeshing comb-shaped electrodes with the first test mass ( 3a ) and a feedback signal ( 29a ), which determines the speed of the first proof mass ( 3a ). Der Stimmgabelkreisel gemäss Anspruch 1, wobei die kammförmigen Elektroden der ersten Zentralelektrode (9a) und die kammförmigen Elektroden der ersten Prüfmasse (3a) ineinander greifen, und wobei die kammförmigen Elektroden der zweiten mittleren Elektrode (9b) und die kammförmigen Elektroden der zweiten Prüfmasse (3b) ineinander greifen.The tuning fork gyro according to claim 1, wherein the comb-shaped electrodes of the first central electrode ( 9a ) and the comb-shaped electrodes of the first proof mass ( 3a ), and wherein the comb-shaped electrodes of the second middle electrode ( 9b ) and the comb-shaped electrodes of the second proof mass ( 3b ) mesh. Der Stimmgabelkreisel gemäss Anspruch 2, wobei die erste Zentralelektrode (9a) kammförmige Elektroden (33b) einschliesst, welche in einen Teil der kammförmigen Elektroden (39) der zweiten Prüfmasse (3b) eingreifen und die zweite Zentralelektrode (9b) kammförmige Elektroden (35a) einschliesst, welche in einen Teil der kammförmigen Elektroden (37) der ersten Prüfmasse (3a) eingreifen.The tuning fork top according to claim 2, wherein the first central electrode ( 9a ) comb-shaped electrodes ( 33b ), which in part of the comb-shaped electrodes ( 39 ) of the second proof mass ( 3b ) and the second central electrode ( 9b ) comb-shaped electrodes ( 35a ), which in part of the comb-shaped electrodes ( 37 ) of the first proof mass ( 3a ) intervene. Der Stimmgabelkreisel gemäss Anspruch 1, welcher erste und zweite Spaltmotorelektroden (38a, 38b, 38c, 38d) einschliesst, die auf dem Substrat (11) in der Nähe der ersten bzw. zweiten Prüfmassen (3a, 3b) angeordnet sind.The tuning fork top according to claim 1, which comprises first and second gap motor electrodes ( 38a . 38b . 38c . 38d ), which are on the substrate ( 11 ) in the vicinity of the first and second test masses ( 3a . 3b ) are arranged. Der Stimmgabelkreisel gemäss irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Vorspannungs-Spannungen Wechselstrom-, Gleichstrom- oder Wechsel- und Gleichstromspannungen sind.The tuning fork top according to any one of the preceding Claims, wherein the first and second bias voltages are AC, DC or AC and DC voltages are. Der Stimmgabelkreisel gemäss irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abtastelemente für Schwingbewegungen (3a, 3b, 7a, 7b) sich elektrisch symmetrisch auf beiden Seiten einer Achse befinden, welche den Stimmgabelkreisel in einen ersten und in einen zweiten Teil unterteilt, wobei ein erster Teil die erste Zentralelektrode (9a) enthält und ein zweiter Teil die zweite Zentralelektrode (9b) enthält.The tuning fork gyroscope according to any one of the preceding claims, wherein the scanning elements for oscillating movements ( 3a . 3b . 7a . 7b ) are electrically symmetrically located on both sides of an axis which divides the tuning fork gyroscope into a first and a second part, wherein a first part is the first central electrode ( 9a ) and a second part contains the second central electrode ( 9b ) contains. Der Stimmgabelkreisel gemäss irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichstromspannung an den ersten Motorelektroden (5a, 5b) null Volt beträgt.The tuning fork top according to any one of the preceding claims, wherein the DC voltage across the first motor electrodes ( 5a . 5b ) is zero volts. Ein Verfahren zur Abtastung der Schwingbewegung von mindestens ersten und zweiten Prüfmassen (3a, 3b) auf einem Gerät, wobei diese ersten und zweiten Prüfmassen (3a, 3b) kammförmige Elektroden (21a, 21b) aufweisen, welche sich von entsprechenden inneren und äusseren Seiten von diesen aus erstrecken, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen von ersten und zweiten Abtastelektroden (7a, 7b) auf einem Substrat (11), die zwischen den ersten bzw. zweiten Prüfmassen (3a, 3b) angeordnet sind; Bereitstellen von ersten und zweiten Motorelektroden (5a, 5b), die auf dem Substrat (11) angeordnet sind und jeweils kammförmige Elektroden (19a, 19b) aufweisen, die in die entsprechenden aussenseitigen kammförmigen Elektroden der ersten bzw. zweiten Prüfmassen (3a, 3b) eingreifen; gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Bereitstellen von ersten und zweiten Zentralelektroden (9a, 9b), welche symmetrisch auf dem Substrat (11) angeordnet sind, wobei mindestens eine der Zentralelektroden (9a, 9b) entsprechende kammförmige Elektroden aufweist, welche in die innenseitigen kammförmigen Elektroden von mindestens einer der ersten und der zweiten Prüfmassen (3a, 3b) eingreifen; Vorspannen der ersten und der zweiten mittleren Elektroden (9a, 9b) mit ersten und zweiten Potenzialen (+VB, -VB) von entgegengesetzter Polarität; und Abtasten eines Rückführungssignals (29a) von der mindestens einen Zentralelektrode (9a), welches die Geschwindigkeit der ersten Prüfmasse (3a) anzeigt.A method for sensing the oscillatory motion of at least first and second proof masses ( 3a . 3b ) on a device, these first and second test masses ( 3a . 3b ) comb-shaped electrodes ( 21a . 21b ) extending from respective inner and outer sides thereof, the method comprising the steps of: providing first and second scanning electrodes ( 7a . 7b ) on a substrate ( 11 ) between the first and second test masses ( 3a . 3b ) are arranged; Providing first and second motor electrodes ( 5a . 5b ), which are on the substrate ( 11 ) are arranged and in each case comb-shaped electrodes ( 19a . 19b ), which in the corresponding outer side comb-shaped electrodes of the first and second Prüfmassen ( 3a . 3b ) intervene; characterized by the following steps: providing first and second central electrodes ( 9a . 9b ), which are symmetrical on the substrate ( 11 ), wherein at least one of the central electrodes ( 9a . 9b ) has corresponding comb-shaped electrodes, which in the inside comb-shaped electrodes of at least one of the first and the second test masses ( 3a . 3b ) intervene; Biasing the first and second middle electrodes ( 9a . 9b ) having first and second potentials (+ V B , -V B ) of opposite polarity; and sampling a feedback signal ( 29a ) from the at least one central electrode ( 9a ), which determines the speed of the first proof mass ( 3a ). Das Verfahren gemäss Anspruch 8, welches einen weiteren Schritt einschliesst, in dem die Abtastelemente für die Schwingbewegungen (3a, 3b, 7a, 7b) so angeordnet werden, dass eine elektrische Symmetrie zwischen einer ersten und einer zweiten Hälfte des Gerätes erreicht wird.The method according to claim 8, which includes a further step in which the scanning elements for the oscillating movements ( 3a . 3b . 7a . 7b ) are arranged so that an electrical symmetry between a first and a second half of the device is achieved. Das Verfahren gemäss Anspruch 8 oder 9, wobei der Vorspannungsschritt das Anlegen von Wechselstrom-, Gleichstrom- oder Wechsel- und Gleichstromspannungen an die erste und an die zweite Zentralelektroden einschliesst.The method according to claim 8 or 9, wherein the biasing step involves the application of AC, DC or AC and DC voltages to the first and second Includes central electrodes. Das Verfahren gemäss Anspruch 9 oder gemäss den Ansprüchen 9 und 10, wobei der Anordnungsschritt einschliesst: ineinandergreifendes Anordnen einer ersten Hälfte (33a) der kammförmigen Elektroden der ersten Zentralelektrode (9a) und einer Hälfte der kammförmigen Elektroden (39) der ersten Prüfmasse (3a); ineinandergreifendes Anordnen einer zweiten Hälfte (33b) der kammförmigen Elektroden der ersten Zentralelektrode (9a) und einer Hälfte der kammförmigen Elektroden (39) der zweiten Prüfmasse (3b); ineinandergreifendes Anordnen einer ersten Hälfte (35a) der kammförmigen Elektroden der zweiten mittleren Elektrode (9b) und einer Hälfte der kammförmigen Elektroden (37) der ersten Prüfmasse (3a); und ineinandergreifendes Anordnen einer zweiten Hälfte (35b) der kammförmigen Elektroden der zweiten mittleren Elektrode (9b) und einer Hälfte der kammförmigen Elektroden (39) der zweiten Prüfmasse (3b).The method according to claim 9 or claims 9 and 10, wherein said arranging step includes: arranging a first half intermeshingly ( 33a ) of the comb-shaped electrodes of the first central electrode ( 9a ) and one half of the comb-shaped electrodes ( 39 ) of the first proof mass ( 3a ); interlocking arrangement of a second half ( 33b ) of the comb-shaped electrodes of the first central electrode ( 9a ) and one half of the comb-shaped electrodes ( 39 ) of the second proof mass ( 3b ); interlocking arrangement of a first half ( 35a ) of the comb-shaped electrodes of the second middle electrode ( 9b ) and one half of the comb-shaped electrodes ( 37 ) of the first proof mass ( 3a ); and interlocking placing a second half ( 35b ) of the comb-shaped electrodes of the second middle electrode ( 9b ) and one half of the comb-shaped electrodes ( 39 ) of the second proof mass ( 3b ). Das Verfahren gemäss Anspruch 8, welches einen weiteren Schritt einschliesst, in dem der mindestens einen schwingenden Masse mittels mindestens einer Spaltmotorelektrode, welche mindestens erste und zweite Unter-Teile (38a, 38b) aufweist, eine Schwingbewegung verliehen wird.The method according to claim 8, including a further step in which the at least one oscillating mass is conveyed by means of at least one slit motor electrode comprising at least first and second sub-parts ( 38a . 38b ), a swinging motion is imparted. Das Verfahren gemäss Anspruch 12, welches einen weiteren Schritt einschliesst, in dem betragsgleiche und entgegengesetzte elektrische Spannungen (+VAC, -VAC) an die ersten bzw. zweiten Unter-Teile (38a, 38b) angelegt werden.The method according to claim 12, which includes a further step in which equal magnitude and opposite electrical voltages (+ V AC , -V AC ) are applied to the first and second sub-parts, respectively ( 38a . 38b ).
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